Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

コロイド / レオロジー / 粘弾性 / 数値シミュレーション / 凝集構造 / 剪断応力 / 粘度 / ヒステリシス

濃厚コロイド系の塗布・乾燥により，二次電池電極や積層セラミックスコンデンサなどの機能材料が作製されている．材料性能はコロイドが形成する粒子系構造に左右されるため，その制御が課題である．塗布・乾燥では，調製時のコロイドの分散・凝集状態に剪断流動が作用して非平衡構造を生じる．その把握のためにレオロジー特性が測定されるが，構造を直接観察できない上に理論も未整備ゆえ，測定結果からの構造の解釈は推測の域を出ないのが実状である．本研究では，濃厚コロイド系のレオロジー特性を評価可能な数値シミュレーションモデルを開発するとともに，実測データと比較しながら，粒子系構造とレオロジー特性の関係を明らかにする．2021年度に得られた結果をまとめると以下の通りである：
（１）濃厚コロイド系のレオロジー特性を評価可能な数値シミュレーションモデルを開発した．この数値シミュレーションでは，レオロジー測定で想定される単純剪断流れ場（定常・振動）での粒子・流体運動を周期境界条件の下で計算し，発生する応力から粘度や動的弾性率を評価する．
（２）（１）を用いて，粒子間相互作用（粒子の分散・凝集状態）による粘弾性挙動の差異を見出した．また，粘弾性挙動の角周波数依存性が，粒子間力から定まる時定数で整理できることを見出した．

コロイド / 乾燥特性 / スキン層 / 偏析 / 数値シミュレーション / 電気伝導性 / 光学特性 / 構造色

粒子分散液の乾燥において構造欠陥が発生する条件について，以下のような数値シミュレーションによる解析を行った：(1)粒子の運動・構造形成の解析から乾燥特性を計算可能な数値シミュレーション手法を構築して，粒子の分散・凝集状態が乾燥特性に及ぼす影響を明らかにした．(2)拡散方程式で記述される連続体モデルを用いて，二成分粒子分散液の乾燥において偏析が発生する条件を明らかにした．

機能材料の製造プロセスとして，粒子状原料を液に分散・混合した後，成形・乾燥する方法がある．材料性能は乾燥過程で形成される粒子系構造に左右されるため，乾燥の目的は液の除去と材料性能の制御の二つとなり，それらを阻害する乾燥欠陥（構造欠陥）の発生を防止することが課題となる．本研究は，分散液の性状（粒子の分散・凝集）や乾燥速度の観点から，乾燥欠陥抑制のための知見を与えるものである．

コロイド / 乾燥 / 粒子膜 / 偏析 / 数値シミュレーション / 計算機シミュレーション

液中の微粒子のブラウン運動を追跡するメソスケールシミュレーションにより，微粒子分散液の乾燥において粒子系構造が形成される現象の解析を行った．乾燥により自由表面が後退して，その下方で粒子濃縮層が成長すると，乾燥速度が低下する原因となる．粒子の凝集性が強いほど，空隙率の高い濃縮層構造となり，乾燥速度低下が抑制されることを見出した．また，大きさの異なる2種類の粒子を含む分散液の乾燥において，表面に小さい粒子が集まる偏析現象の再現に成功し，粒径比が大きいほど偏析が促進されることや，偏析が最も促進される乾燥速度の存在を見出した．

微粒子分散液の乾燥において，粒子系構造の形成が誘起される自己組織化現象が起こる．この現象を積極的に利用して，微細構造を有する機能材料の作製が行われている．本研究は，微粒子分散液の性状（粒子の分散・凝集）および乾燥の操作条件（乾燥速度）と粒子系構造の関係を明らかにすることで，構造制御による材料高性能化のための材料作製条件設計に対して知見を与えるものである．